Algunos aspectos de la astrofotografía requieren una compresión básica del funcionamiento del sensor fotoeléctrico y la manera en que se construye una imagen digital a partir del mismo.
En un esquema simplificado, un sensor fotográfico está compuesto por una rejilla o malla de pequeños diodos construidos con materiales semiconductores. Estos materiales tienen propiedades fotoeléctricas de la misma manera que las placas solares: cuando un fotón golpea el material, este reacciona generando un voltaje eléctrico que puede acumularse y medirse al finalizar la exposición fotográfica.
Una imagen digital en formato RAW no es más que un registro numérico de la luminosidad medida en cada diodo, aunque antes de llegar a ese resultado se producen toda una serie de efectos y transformaciones con consecuencias para la calidad de tu fotografía y para la evaluación del propio sensor.
La imagen antes de llegar al sensor fotográfico
Antes de alcanzar tu sensor fotográfico, la luz sufre alteraciones que tienen implicaciones en lo que tu sensor es capaz de capturar. Estas son algunas de las principales:
- El color de la luz está relacionado con las partículas elementales que la componen, los fotones. Estos pueden tener diferentes niveles de energía, aunque su energía es siempre múltiplo de una cantidad fija (para los amantes de la física, múltiplo de la constante de Planck). La energía de un fotón determina su longitud de onda y su frecuencia, que nuestros ojos perciben como color. Cada material es más o menos sensible a los diferentes niveles de energía de los fotones. Por ejemplo, el ojo humano es más sensible al verde que al rojo. Y tu sensor tiene también una sensibilidad específica para cada longitud de onda (puedes averiguarlo consultando la eficiencia cuántica en las especificaciones técnicas del mismo). Además, algunos objetos astronómicos emiten luz en longitudes de onda muy concretas, como sucede con el color de las nebulosas.
- La naturaleza de la luz, incluso si una fuente luminosa tiene una intensidad incuestionablemente constante, provoca oscilaciones en la cantidad de fotones emitidos por unidad de tiempo. Este fenómeno físico es anterior a cualquier intervención de tu equipo fotográfico y es la causa del llamado ruido de disparo. Esta dosis de ruido es inevitable y es también una de las principales fuentes de ruido en astrofotografía..
- Los efectos de la atmósfera terrestre en astrofotografía pueden resultar devastadores para la calidad de tu imagen, con efectos tanto en la resolución como en el color.
- La apertura de tu equipo óptico (el diafragma de tu cámara o el tubo de tu telescopio) impone además límites físicos para la resolución fotográfica.
- Tu sensor fotográfico puede estar recubierto por una serie de micro-lentes destinadas a aprovechar la luz incidente así como de filtros encargados de componer el color de la imagen (existen diferentes CFA, como la matriz de Bayer) o de impedir el paso de la radiación infrarroja, que por desgracia es una longitud de onda muy común de los objetos astronómicos debido a las emisiones de hidrógeno alpha.
Una vez sorteados estos pequeños obstáculos iniciales, la luz (o lo que queda de ella) alcanza por fin tu sensor.
La imagen después de llegar al sensor fotográfico
Una vez que los fotones comienzan a golpear tu sensor fotográfico, se producen una segunda tanda de alteraciones que darán como resultado una imagen digital.
- El material de tu sensor es capaz de transformar los fotones en electrones, pero por desgracia no todos los fotones incidentes consiguen transformarse en electrones porque no todos los materiales son igualmente sensibles a la luz. La eficiencia cuántica de un sensor mide la tasa de transformación de fotones (de una determinada longitud de onda) en electrones y su rango puede variar desde menos del 10% para una película fotográfica hasta más del 90% para algunos sensores CCD.
- Por leves que sean las imperfecciones de manufactura, cada diodo de tu sensor tendrá una eficiencia cuántica ligeramente diferente a la de su vecino. Estas diferencias en la respuesta de los diodos a la luz genera un tipo de ruido conocido como PRNU (photo-response non-uniformity).
- Por otro lado, no solamente la luz es capaz de generar electrones. El calor es otra forma de radiación electromagnética y también libera electrones en el silicio, electrones que resultan indistinguibles de los generados por los por los fotones y se mezclan con ellos en tu imagen. Esta es la fuente del llamado ruido térmico, que puede también afectar a la calidad de tu fotografía.
- Una vez finalizada la exposición fotográfica, los electrones generados en el paso anterior se convierten en un voltaje. Cada diodo tiene una capacidad limitada para acumular electrones, así que si la exposición ha sido excesiva, el diodo queda saturado y es incapaz de almacenar más electrones, por lo que la información de los fotones adicionales que inciden sobre él queda truncada y se pierde. Es el efecto común de una imagen sobreexpuesta. Los píxeles pequeños tienen menos capacidad que los píxeles grandes para acumular voltaje, aunque ofrecen mayor resolución.
- El voltaje acumulado en el paso anterior es entonces amplificado en una cantidad proporcional al parámetro ISO de tu cámara. En un mundo ideal, el voltaje amplificado sería directamente proporcional al número de electrones obtenidos, pero en el proceso de amplificación se producen oscilaciones aleatorias (de nuevo la naturaleza cuántica del campo electromagnético) que constituyen una nueva fuente de ruido para tu imagen, el llamado ruido de lectura. Este proceso no solo amplifica la señal que has logrado recoger de tu imagen, sino que también amplifica todo el ruido acumulado de diferentes fuentes hasta este momento.
- Finalmente, el voltaje amplificado se mide y se transforma en un número. De esto se encarga el Covertidor de Analógico a Digital (o ADC, Analog to Digital Converter). Este proceso de lectura también implica oscilaciones que se acumulan al ruido anterior de la imagen, aunque esta componente del ruido de lectura no sea amplificada. Y el proceso de digitalización (de transformar un valor de voltaje en un número entero) exige a la vez realizar un redondeo que introduce también una pequeña inexactitud respecto a la señal analógica (aunque menor, es también una fuente de ruido).
- El resultado final de todo este proceso son los números que puedes consultar en una fotografía digital en formato RAW con software básico. Estos números que constituyen una imagen digital reciben el nombre de ADU (Analog-to-Digital Units) o sencillamente DN (Digital Numbers). La escala de valores numéricos disponibles (correspondiente a la escala de diferentes brillos que tu imagen es capaz de registrar) puede variar de un sensor a otro. Habitualmente se mide con el parámetro de profundidad de bits (o profundidad de color). 8 bits corresponden a una escala de 256 tonos, 10 bits a 1,204 tonos, 12 bits a 4,096 tonos, 14 bits a 16,384 tonos y 16 bits a 65,536 tonos (basta con elevar 2 al número de bits). En principio en un mundo perfecto una mayor profundidad de bits permitiría mejores imágenes con mayores matices. Pero a menudo las fuentes de ruido mencionadas con anterioridad pueden volver irrelevante la disponibilidad de mayor profundidad de bits.
Por último vale la pena mencionar el concepto de ganancia. Este es el resultado de dividir el número de electrones generados por el sensor por el número ADU de tu fotografía digital, así que ofrece una manera sencilla de transformar ADU en electrones y viceversa. La ganancia es por tanto inversamente proporcional al ISO empleado para producir la fotografía.